Како се граде протеинске структуре

Савремена биологија дубоко је продрла у дубину ћелије - „цигле“ живих. Жива ћелија се научницима појавила као складна комбинација једноставнијих структура - мембрана, цеви, гранула, влакнастих формација, које се састоје од уређених молекула повезаних међусобно.

Проучавање биолошких структура, њиховог састава и молекуларне организације, њихове специфичне активности постало је предмет молекуларне биологије.

Успех ових последњих повезан је пре свега са декодирањем структуре нуклеинских киселина и природом наследних информација. Молекул нуклеинске киселине је линеарни низ од четири врсте нуклеотида поређаних у сложеном, али строго дефинисаном редоследу, који се могу упоредити са редовним распоредом слова у смисленом тексту. Баш као што текст носи неку поруку, неке информације, поредак нуклеотида у молекулу нуклеинске киселине садржи информације о појединачним структурама протеина које треба створити у процесу изградње организма.

Молекул протеина је такође линеарни низ структурних елемената, али не нуклеотида, већ двадесет врста аминокиселина. Свака комбинација три нуклеотида у молекулу нуклеинске киселине (генетски код) предодређује укључивање једне или друге од двадесет аминокиселина. Секвенца нуклеотидних тројки одређује тачан низ аминокиселина у синтетизованом протеинском молекулу.

Настављајући већ општеприхваћено поређење генетских информација са написаним текстом, можемо рећи да се током синтезе протеина текст написан на језику нуклеотида преводи на језик аминокиселина. Информације садржане у тексту аминокиселина одређене врсте протеина - то јест састав и редослед аминокиселина који су њему својствени - одређују његов облик и фину унутрашњу организацију - просторни поредак структурних елемената на којима се одређују неки од његових биолошких функције зависе. Ако се поређење наруши, протеини ензима, на пример, губе способност да катализују реакције у телу.

Студије су показале да одређене функције протеина директно обављају удружења хемијских група смештених у одређеним деловима уређеног функционалног центра специфичног молекула протеина. Када се наруши редослед - на пример, молекул протеина се топи - тада комбинације хемијских група добијају прилику да промене свој међусобни распоред, распршење и функционални центри престају да постоје.

Дакле, превод језика нуклеотида на језик аминокиселина није само превод. Слова аминокиселина су много богатија физичко-хемијским садржајем од нуклеотидних. И уопште, информације које носи молекул протеина се фундаментално разликују од информација о нуклеотидима, јер одређују специфичност структуре протеинских молекула и њихове суптилне биолошке функције.

Још једно поређење може се извршити из техничке области. Информације садржане у нуклеинским киселинама су попут нацрта од којих се делови производе и састављају по одређеном редоследу. Молекул протеина је склопљени механизам, а информације садржане у низу његових аминокиселина су програм самог механизма.

У живој ћелији већина протеина не функционише у слободном стању, већ као компоненте сложених структура - добро уравнотежених и контролисаних система, где сваки протеин има одређено место и одређени удео у целокупној физиолошкој функцији. Конструкција сложених ћелијских структура је дијалектички прелаз из области хемије (која треба да укључује функционисање појединачних молекула протеина) у област биологије.

Сложене биолошке структуре, осим протеина, садрже и липиде, угљене хидрате и друге супстанце.Међутим, у изградњи сложених унутарћелијских структура, улога ових супстанци није водећа.

По самој природи своје хемијске структуре, угљени хидрати и липиди једноставно не могу садржати толико велику количину информација која је неопходна за такву конструкцију. Најважнија улога у њему припада специфичним протеинима.

Дакле, данашња молекуларна биологија потврђује и детаљно износи познати став Ф. Енгелса о протеинима као основи живота. У протеинима, где се бескрајно разнолики молекули граде од структурних елемената са врло различитим својствима, где се прецизност јединствене организације комбинује са флексибилношћу и пластичношћу, природа је пронашла изузетан материјал који је омогућио стварање вишег, биолошког облика материје кретање.
Строга молекуларна организација биолошких структура првенствено је одређена особеностима интеракције протеина. Њихови молекули су селективно повезани: сваки има добро дефинисане суседе. То могу бити или молекули идентични овом или различити од њега. Али у сваком случају, комшије су „програмиране“, постављене и не могу другачије. Тачност организације додатно погоршава чињеница да су протеини који нису исти у просторној конфигурацији, са различито лоцираним хемијским групама, повезани оријентисано: не случајно, већ само у одређеним деловима њихових површина. Ова контактна подручја су хемијски структурисана да обезбеде поуздану и без грешака селективност лепљења. Називају се одређеним контактним областима или одређеним центрима.

Присуство специфичних центара је заједничко својство протеина који обављају специјализоване биолошке функције. То су „радни органи“ молекула протеина. Захваљујући посебним специфичним центрима, ензимски протеини селективно везују супстанце, чији су катализатори хемијских трансформација антитоксински протеини, везују токсине итд.

Систем интеракција је организован између хемијских група одређеног центра и партнерског молекула при контакту. Прво укључује електростатичку привлачност између група са супротним електричним наелектрисањима; друго, такозване водоничне везе између електрично поларних група; и, коначно, треће, „хидрофобне“ везе - интеракције између неполарних група (групе које вода одбија). Овде по правилу не настају стабилне хемијске везе, јер је свака појединачно од наведених интеракција прилично слаба. Али уопште, систем одређеног центра пружа довољну чврстоћу везе молекула.

Горе поменута селективност деловања специфичних центара постиже се захваљујући кореспонденцији у саставу и распореду хемијских група у самом центру и у партнерском молекулу - такозваној комплементарности. Свака замена или кретање група значи кршење комплементарног ™. Такође је јасно да одређени центар није само радни механизам, већ и шифра која омогућава молекулу протеина да „препозна“ свог партнера међу многим другим молекулима, чак и онима који имају велику сличност са овим партнером.

Концепт специфичних центара одражава само општи карактер функционалних механизама својствених протеинима. Специфичне функције протеина, структура и реакције њихових специфичних центара остају научно подручје у коме остаје готово све да се уради. Ово се односи и на процесе формирања супрамолекуларних биолошких структура.

Неке биолошке структуре су изузетно сложене. Такве су, на пример, мембране са * ензимским комплексима. Састављање таквих структура врши се, како показују подаци других студија, великим системом бројних протеинских компонената.Учешће многих протеина у овом раду је, по свему судећи, само индиректно - они учествују само у процесу стварања структуре, али нису укључени у њен састав. Претпоставља се да међу овим помоћним протеинима постоје специфични ензими.

С друге стране, постоје биолошке структуре које имају релативно једноставну структуру. На пример, друге влакнасте структуре изграђене су од протеинских молекула само једне врсте.

У великом броју случајева у лабораторијама је могуће разградити једноставне биолошке структуре на њихове појединачне елементе - протеин и друге молекуле. Под одговарајућим условима околине, ови елементи се поново комбинују у правом редоследу и стварају изворну структуру. Овај поступак поновног стварања обично се назива само-монтажа. Бројни истраживачки тимови у иностранству и код нас проучавају његове механизме. Једна од таквих група је Лабораторија за протеинске структуре и функције Института за биохемију, где се проучава само-монтажа влакана фибрина.
Фибрин је влакнасти протеин који се појављује у крви када се коагулише. Формирање непрекидне мреже његових влакана претвара течну крв у очврслу желатинасту масу. Захваљујући овом феномену крварење се зауставља након повреда - крв ​​на оштећеној површини тела коагулише.

У повољним условима за тело у крви која циркулише кроз нетакнуте судове, постоји растворљиви претходник фибрина - протеин фибриноген. Када су крвни судови оштећени, посебан сложени систем протеина почиње да производи ензим тромбин, који цепа четири мале честице назване фибрински пептиди из великог молекула фибриногена. Изгубивши их, фибриноген се претвара у фибрин-протеин, чија полимеризација (међусобна веза) молекула формира влакна.

Мономерни молекули фибрина полимеризују се уз строго уређивање, што је карактеристично за све процесе само-монтаже.

Експерименталне студије процеса само-монтаже захтевају решења
одговарајући мономерни молекули протеина. Њихов извор су готово увек природне супрамолекуларне структуре, у које су мономери мање или више чврсто „монтирани“. Сложеност и потешкоће добијања почетних мономерних решења из ових структура су у томе што нетачно „демонтирање“ може оштетити крхке молекуле протеина.

Стога је први проблем који се појављује пред научницима који се упуштају у проучавање процеса самоскупљања управо „демонтажа“ биолошких структура. У сваком појединачном случају треба тражити методе деловања које су специфичне за сваку структуру, а које би ефикасно раскинуле везе између саставних мономера и не би нанеле никакву штету самим мономерима. За фибрин дуго није било могуће наћи потпуно задовољавајући начин разградње његових полимерних влакана. Раствори урее у почетку предложени у ту сврху, а затим и натријум бромида били су неефикасни. Тек 1965. године запослени у нашој лабораторији, ТВ Варетскаиа, развио је методу која у потпуности задовољава све захтеве, засновану на употреби разређених раствора сирћетне киселине на температурама близу 0 ° Ц. Овако добијени мономерни молекули фибрина увек су имају иста својства, репродукована из експеримента у искуство. Претходне методе разлагања фибрина у растворима урее или натријум бромида нису дале такву постојаност својстава: различити узорци мономерног протеина добијени уз њихову помоћ разликовали су се, на пример, у различитим брзинама полимеризације.

Занимљиво је да када се други протеин, структурни протеин митохондрија, добије у раствореном стању, најбољи резултати (како су закључили амерички научници који су проучавали самостално састављање ових структура) такође дају охлађени разређени раствор сирћетне киселине.

Процеси који су укључени у само-монтажу конструкција проучавају се на различите начине.Један од ових начина је систематско проучавање резултата утицаја на процес одређених супстанци.

На пример, кашњење у полимеризацији фибрина може настати ако је почетни раствор мономера изложен воденом раствору неорганских соли, нарочито натријум хлорида. У границама ниских концентрација соли - до 2-3% - кашњење полимеризације је јаче, раствор је „јачи“.

Које информације пружа ова чињеница?

Познато је да соли у воденом раствору постоје у облику јона који носе позитивне и негативне електричне набоје. Електростатичка ефикасност сланих јона обично се процењује посебном вредношћу - јонском снагом, која узима у обзир концентрацију раствора и величину наелектрисања његових јона. Хемијска природа појединих јона соли овде није битна. Кашњење у полимеризацији углавном се одређује јонском снагом раствора соли додатом у мономерни раствор протеина. То показује да је ефекат претежно електростатичке природе. Очигледно је да јони соли прекривају („гасе“) електричне набоје мономерних молекула фибрина - околност која само указује да су њихови електрични набоји укључени у механизам селективне везе молекула протеина. У нормалним условима - у одсуству сметњи од електростатички наелектрисаних јона соли - позитивно и негативно наелектрисане јонске групе, које се комплементарно налазе у одређеним центрима, треба да привуку молекуле једна другој.

Детаљнија испитивања која је у нашој лабораторији извршио ЕВ Луговскии показала су да, уз општи скрининг ефекат јонске снаге, постоји још један ефекат соли, који снажно зависи од хемијске природе и индивидуалности јона и одређује се њиховом способношћу да прикачити за протеин. Везивање јона за одређени центар очигледно уноси додатни поремећај у његов рад.

Е. В. Луговскии је истраживао утицај виших концентрација соли на полимеризацију. Испоставило се да неке соли нагло одлажу, док друге, напротив, убрзавају полимеризацију. Тако, на пример, две сродне соли, натријум хлорид и бромид, делују супротно: прва убрзава, а друга успорава процес. Попут бромида, али још јачи, натријум јодид делује, попут хлорида, различитих јачина - понекад јачи, а затим слабији - делују сулфати, фосфати и неке друге соли.

Испоставило се да су снагом убрзавајућег ефекта на полимеризацију фибрина соли поређане у низу који се поклапа са већ дуго успостављеним и познатим редом за „сољење“ (таложење) протеина у растворима са високим концентрацијама соли. Међутим, у експериментима са полимеризацијом фибрина још увек се не постиже право сољење, јер се поступак проучава у концентрацијама соли које још увек не достижу оне за сољење. Поред тога, приликом сољења протеини се таложе у облику безобличне масе, а у описаном случају настају нормална влакна фибрина - могла су се видети помоћу фазног контрастног микроскопа.

Многа истраживања су открила да је склоност протеина ка усољавању појачана присуством у његовим молекулима неполарних група близу његове површине и у контакту са околином. Што је више таквих група, нижа је концентрација физиолошког раствора, довољна за сољење протеина.

Ови добро познати положаји могу се користити за објашњење резултата нашег експеримента, у коме се несумњиво манифестује ефекат усољавања, који указује на то да мономерни молекул фибрина треба да садржи велики број неполарних група на својој површини. Али ми немамо право сољење. Ефекат сољења се манифестује само у убрзавању специфичне полимеризације. То се може објаснити чињеницом да су неполарне групе комплементарне компоненте одређеног центра молекула протеина.

Дакле, студије утицаја сланих раствора на полимеризацију фибрина показују да су и електростатичке интеракције и „хидрофобне“ интеракције између неполарних група укључене у процес само-склапања фибрина. Подаци других студија указују да је укључена и трећа врста интеракција између молекула протеина - водоничне везе.

Окренимо се сада фибриногену, претечи фибрина. Његови молекули су такође способни за полимеризацију да би створили влакна слична фибрину. Према томе, мономери фибриногена такође имају специфичне центре. Међутим, њихова полимеризација захтева посебне услове и, нарочито, високу јонску чврстоћу раствора. Ако заштита од електричних наелектрисања одлаже полимеризацију фибрина, онда је, напротив, предуслов за комбиновање мономера фибриногена у ланцу. Али из овога следи да је распоред електричних наелектрисања у одређеном центру молекула фибриногена неповољан за полимеризацију и требало би да се спроводи само интеракцијом оних хемијских група које немају електрични набој.

Пептиди фибрина, чијим цепањем молекул фибриногена постаје мономерни молекул фибрина, носе негативне електричне набоје. Очигледно је да је њихово уклањање фактор који мења систем наелектрисања у одређеном центру и ствара комплементарност.

Занимљиво је да је једна од врста крварења, тешка наследна болест, узрокована мутационом променом фибриногена, у којој овај протеин губи позитивне наелектрисања у близини тачака цепања фибринских пептида. Последњи се, као и у нормалном случају, цепају, али тромбин више не изазива активацију фибриногена, (Као што дијаграм показује, активација се састоји у чињеници да се оближњи позитивни набој одређеног центра ослобађа од неутрализујућег ефекта фибринског пептида . Ако нема таквог набоја, цепање фибринског пептида постаје бесмислено: не долази до активације.)

Одређени фрагменти фибриногена или фибрина карактеришу дефектни специфични центри, који су међутим способни за селективну интеракцију са мономерним фибрином. Такви фрагменти се могу добити уништавањем ових протеина помоћу ензима. У експериментима са њима лако је уочити како активни фрагменти интерагују са фибрином и ремете склоп влакана. Управо се таквим експериментима - производњом и проучавањем активних фрагмената - тренутно бави наша лабораторија. Надамо се да ћемо проучавањем структуре и селективних реакција ових фрагмената боље разумети како се сами протеини граде и делују.

Комплементарност јонских група, која игра тако суштинску улогу у самосакупљању фибрина, очигледно је такође важна и при самосакупљању других биолошких структура. Удео енергије електростатичких веза у укупној количини енергије интеракције молекула који се повезују је вероватно мали. За везу молекула најважније су „хидрофобне“ везе. Али јонске групе могу убрзати самоокупљање. Електростатички набоји могу да делују на релативно великој удаљености. А управо њихова дугорочна акција омогућава вероватно „сондирање“ околине, препознавање жељеног партнера и оријентисан контакт са њим.
Комплетна шема стварања фибрина, почев од фибриногена, укључује ензим тромбин, који се одликује невероватно фином селективношћу. Под условима карактеристичним за његово деловање, уопште не утиче на многе „стране“ протеине. Делује само на фибриноген и извршава само једну чисто специфичну функцију: од њега цепа фибринске пептиде. Овај рад тромбина је неопходан и довољан за стварање мономерног фибрина.

То сугерише да би при састављању врло сложених структура, које се одвија у неколико фаза, требали деловати и специфични ензими попут тромбина.Лако је замислити следећи редослед реакција: протеин прекурсор намењен, на пример, учешћу у две реакције склапања, активира први ензим и комбинује се са одређеним партнером; ово га чини доступним за други ензим и накнадно специфично везивање другог партнера. Могуће је да је то управо механизам организације оних биолошких структура чија сложеност искључује могућност директног само-окупљања.

У средњим фазама склапања сложених структура, ензими могу бити не само алати за активацију. Њихово деловање може изменити општа својства протеина. На пример, одређени протеин, који је већ „уграђен“ у структуру, може постати његов нерастворљив део, изгубивши значајан део својих хидрофилних компоненти услед ензима. Наравно, таква шема не искључује друге, подразумевајући могућност постојања протеина носача који испоручују нерастворљиве протеине на место монтаже.

У закључку треба напоменути да је проучавање процеса склапања супрамолекуларних биолошких структура поље препуно нејасних и сложених питања. Због тога су у овој фази свог развоја информације о процесима који се дешавају у тако релативно једноставним системима као што је систем формирања фибринских влакана посебно занимљиве и корисне.

В. Белитсер

Сличне публикације

Неуронски импулси и РНК

Рођење молекуларне биологије

Како "изградити" молекул?